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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL POR ELEMENTOS FINITOS

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O PROCESSO DE DESTRUIÇÃO CRIATIVA EM MARX E SCHUMPETER E IRRACIONALIDADE DESTRUTIVA DA SOCIEDADE CONTEMPORÂNEARETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL POR ELEMENTOS FINITOS DO
PROCESSO DE FORJAMENTO A FRIO
Ricardo do Prado1; Valesca Correa Alves2; Luiz Eduardo do Patrocínio Nunes3
Resumo
A conformação mecânica está presente em vários processos industriais e classificam-se
em diversas categorias com base em critérios como: o tipo de esforço que provoca a
deformação do material, a variação da espessura da peça, o regime de operação de
conformação, a temperatura de trabalho, e o propósito da deformação. Com a evolução
tecnológica muito tem se utilizado das simulações virtuais visando obter resultados mais
rápidos, confiáveis e econômicos, destacando o Método dos Elementos Finitos (MEF)
que considera a região de solução do problema formada por pequenos elementos
conectados entre si, onde a região em estudo é analiticamente modelada ou aproximada
por um conjunto de elementos discretos pré-definidos. Esse trabalho utiliza métodos de
modelagem e simulação com Elementos Finitos na conformação mecânica de peças
visando à redução de custos e otimização do projeto.
Palavras-chave: Conformação Mecânica, Elementos Finitos, Forjamento a Frio,
Modelagem e Simulação.
Abstract
The mechanical conformation is present in many industrial processes and are classified
into several categories based on criteria such as: the type of stress that causes the
deformation of the material, the relative variation of the thickness of the part, the
scheme forming operation, the temperature work, and the purpose of deformation, with
technological progress also has used faster computational simulations due to more
rapid, reliable and economical results, highlighting the Finite Element Method (F.E.M.)
considers the field of solution of the problem formed by small elements connected to
each other, where the region under buy studies are modeled analytically or
approximated by a set of pre-defined discrete elements, This work uses modeling and
simulation methods with finite element in metal forming parts in order to reduce costs
and design optimization.
Simulation.
Introdução
Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através
de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas
matrizes até grandes martelos. A conformação mecânica está presente em diversos
processos industriais visando à obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas
1 Mestrando do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica; E-mail: [email protected] 2 Doutora em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho-Unesp;
professora da Pós-Graduação em de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté; E-mail:
[email protected] 3 Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho-Unesp;
professora da Pós-Graduação em de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté; E-mail:
[email protected]
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
propriedades mecânicas. O número de diferentes processos unitários de conformação
mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas
centenas, sendo possível classificá-los em categorias, com base em critérios como: o
tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura
da peça, o regime de operação de conformação, a temperatura de trabalho, e o propósito
da deformação (BRESCIANI et al., 1985).
O desenvolvimento dos recursos de computação nas últimas décadas resultou em
um avanço significativo nas mais diversas áreas do conhecimento. A produção de
computadores com maior poder de processamento e custo reduzido, torna viável a
utilização de modelos sofisticados para análise e solução de problemas complexos. O
progresso tecnológico no campo da computação torna possível a obtenção de recursos
gráficos, ambientes virtuais e novas possibilidades de aplicações práticas, em várias
áreas surgem a cada ano (LAGERGREN, 2002). Dentre elas a modelagem e a
simulação computacional, que são ferramentas capazes de reproduzirem diversos
processos e estimar os seus respectivos resultados com um nível de precisão muito
próximo dos valores obtidos em uma situação real de trabalho. Com a modelagem
correta, os problemas podem ser otimizados com ferramentas de CAD (Computer Aided
Drawing) para a definição das geometrias, e com o uso de ferramentas de CAE
(Computer Aided Engineering), onde é possível simular a realização do processo de
conformação mecânica visando à prevenção de possíveis falhas no projeto ou durante o
processo de fabricação.
Este trabalho tem como objetivo demonstrar a utilização de ferramentas
computacionais com a finalidade de simular um processo de conformação mecânica de
um determinado produto através do M.E.F. (Método dos Elementos Finitos), obtendo
como resultados a extinção do método empírico de tentativa e erro, geralmente
praticado durante o desenvolvimento de novos produtos, e as sucessivas correções de
ferramentas que ocorrem neste processo; e concluindo que são justificáveis os altos
custos dos investimentos em softwares avançados de engenharia como sendo mais uma
ferramenta para a redução dos desperdícios de: matéria prima, tempo de projetos e
processos.
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
1 Revisão de Literatura
1.1 Conformação mecânica
Os processos de manufatura de produtos metálicos são classificados dentro de seis
principais grupos: fundição, conformação mecânica, usinagem, soldagem, tratamento
térmico e tratamento superficial (BRESCIANI et al., 1985).
Dentre esses processos, destaca-se o grupo de conformação mecânica no qual um
componente simples como um tarugo ou uma chapa metálica, por exemplo, é
plasticamente conformado entre as ferramentas (matriz ou estampo) para que se obtenha
a configuração final desejada. Portanto, um componente de geometria simples é
transformado num outro de geometria complexa, conformado por ferramentas que
guardam a geometria desejada e aplicam pressão ao material metálico deformando-o
(BRESCIANI et al., 1985).
1.2 Forjamento a frio
De acordo com Button, et al., (1995), o processo de forjamento a frio é
denominado um processo de conformação plástica, ou seja, que ocorre no campo
plástico da liga metálica, sem remoção do material. Segundo Regner e Schaeffer (1983)
a designação a frio refere-se ao fato de que durante o processamento, o material
conformado encontra-se em temperaturas que não provocam seu recozimento. Assim, os
produtos forjados a frio apresentam-se encruados, com um nível de resistência mecânica
elevado.
1.3 Tipos de processos de forjamento
O forjamento a frio de peças de aço consiste de dois processos básicos: o recalque
e a extrusão. No recalque, a área da seção transversal da peça forjada é aumentada
durante o processo, por meio de esforços de compressão que promovem o escoamento
radial do material forjado, já na extrusão, a área da seção transversal do forjado é
reduzida ao ser empurrada através de uma ferramenta (matriz) que define as dimensões
e a geometria da seção do produto (BUTTON, et al., 1995). Conforme a representação
da Figura 1: (a) tarugo, (b) extrusão, (c) recalque, (d) extrusão inversa e (e) recalque
final.
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
Figura 1 - Representação das operações de conformação a frio
Fonte: Lange, (1985).
Respeitadas as limitações impostas pelo equipamento e pelas ferramentas, deve-se
considerar as características específicas do processo que restringem a obtenção dos
produtos forjados.
No recalque há duas limitações principais: uma relacionada com as dimensões do
tarugo e outra com a máxima deformação possível (BUTTON, et al., 1995).
A esbeltez do tarugo, ou seja, a razão entre a sua altura e seu diâmetro é limitada
pela possibilidade de flambagem do tarugo.
No caso da extrusão aberta, o limite da redução de área deve-se a duas restrições:
a possibilidade de recalque do tarugo à frente da matriz no caso de tarugos curtos e a
possibilidade de flambagem do tarugo do início da extrusão no caso de tarugos longos.
Para a extrusão confinada (direta ou inversa), a limitação de redução de seção deve-se
principalmente às elevadas tensões desenvolvidas durante o processo que transmitidas
às ferramentas podem causar sua falha, mesmo que essas ferramentas sejam
adequadamente dimensionadas e reforçadas. Nesse caso, a lubrificação eficiente da
interface tarugo-ferramenta promove a redução dessas tensões, a elevação da vida útil
do ferramental e possibilidade de aumento da redução de seção (VILLAS BÔAS, 1999).
A Figura 2, apresenta os valores limites de deformação para as operações de
extrusão direta livre e confinada, indireta para o recalque a frio de peças cilíndricas.
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
Figura 2 - Limitações de deformação para os processos de forjamento a frio
Fonte: National, (1986).
1.5 Simulação computacional
A simulação é um processo de projetar um modelo computacional de um sistema
real e conduzir experimentos com este modelo com o propósito de entender seu
comportamento e/ou avaliar estratégias para sua operação (PEGDEN et al., 1990).
A simulação computacional dá uma maior compreensão de detalhes do processo
de conformação, incluindo o escoamento do material, as distribuições de
tensão/deformação/temperatura, etc., o que agrega ao projetista a obtenção de melhores
resultados. A efetiva aplicação da tecnologia de simulação pelo Método dos Elementos
Finitos reduz o número efetivo de tentativas para se chegar ao projeto final, conduzindo
a uma redução significante de tempo e custo (HATTANGADY, 2003).
A simulação numérica computacional hoje é frequentemente aplicada na
elaboração de projetos ou análises dos processos de conformação plástica dos metais
(MARTINS, 2012).
RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
(JUDICE, 2012), apresentou uma análise numérica com o software DEFORM
sobre a distribuição da densidade relativa, o comportamento de fechamento, os
mecanismos de deformação e as distribuições de tensão-deformação em torno de vazios
internos para varias condições de laminação.
1.6 Custos
Custos totais de produção: total das despesas realizadas pela firma a partir da
combinação mais econômica dos fatores que resultará em determinada quantidade do
produto.
2 Materiais e Métodos
Serão apresentados os métodos e materiais empregados para a realização da
simulação numérica por MEF relacionados ao forjamento a frio, e a análise do produto
forjado obtido, o objeto desse estudo será uma porca sextavada M10.
2.1 Descrição da empresa
O problema alvo do estudo foi observado em uma empresa localizada no estado
de São Paulo, do ramo metalúrgico (metal-mecânica) que fornece elementos de fixação
para os segmentos de veículos automotores de duas e quatro rodas, linha branca e
mercado de reposição, de médio porte com aproximadamente 400 funcionários que tem
como foco de trabalho o processo de conformação a frio de metais tendo como matéria
prima de partida rolos de arame.
2.2 Descrição do problema
Na fabricação de elementos de fixação é prática comum o emprego do método
empírico de tentativa e erro no desenvolvimento de novos produtos, onde o projetista se
utiliza da sua experiência para definir o processo a ser adotado na fabricação de um
determinado produto e as ferramentas a serem construídas para a fabricação do mesmo,
entre as etapas de montagem das ferramentas, regulagem da máquina e a apresentação
das peças no setor de controle de qualidade para que seja autorizada a fabricação do
produto, são feitas correções nas ferramentas, no processo e por vezes até mesmo no
equipamento a ser utilizado.
Para ser utilizado neste estudo foi escolhido uma porca sextavada de chave 14,0
mm, rosca M10x1,0 e altura 7,0 mm, que por tratar-se de um produto genérico, pode ser
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
utilizado em uma grande variedade de aplicações e consequentemente na sua produção
serão fabricados lotes com grande quantidade de peças. A Figura 3 mostra o desenho
em 2D do produto adotado para o estudo.
Figura 3 - Desenho em 2D do produto escolhido para estudo
Fonte: Os autores, (2014).
2.3 Recursos computacionais utilizados
Para a realização deste trabalho foram utilizados os softwares comerciais:
• Autodesk – AutoCAD 2014 – Software gráfico 2D utilizado na geração de
desenhos bidimensionais.
geração de desenhos tridimensionais.
• SFTC – Deform 3D V6.1 – Software baseado no método dos elementos finitos,
destinado à simulação do processo de forjamento.
2.4 Ferramental
Para a conformação da porca foi necessária a confecção de um ferramental no
qual se utilizaram os seguintes materiais: Conjunto Punção e Extrator.
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
O material utilizado foi o aço AISI M2, aço rápido ligado ao molibdênio, vanádio
e tungstênio; que em função do balanceamento químico apresenta alta temperabilidade,
alta tenacidade, alta resistência ao desgaste e excelentes propriedades de corte,
produzido em barra redonda recozida laminada, cuja composição química encontra-se
no Quadro 1 e as propriedades mecânicas no Quadro 2.
Quadro 1 - Composição química do aço AISI M2 (% em peso)
C Si Mn P S Co Cr Mo Ni V
0,90 0,41 0,29 0,027 0,001 0,08 4,09 4,81 0,28 1,89
W Cu Ti Nb Al Pb Sn Ca N O
6,11 0,13 0,011 0,01 0,058 0,00 0,0124 0,0014 0,029 0,002
Fonte: Os autores, (2014).
Propriedades Dureza
Descarb.
(mm)
Fonte: Os autores, (2014).
Matriz de estampagem
O material utilizado foi o Metal Duro G5, material que consiste em carbonetos
metálicos de tungstênio, titânio, tântalo ou molibdênio, tendo como aglomerante o
cobalto, produzido em buchas cuja composição química típica encontra-se no Quadro 3
e as propriedades mecânicas no Quadro 4.
Quadro 3 - Composição química típica do Metal duro (% em peso)
W C Co (WC-3Co)
Quadro 4 - Propriedades Mecânicas do Metal duro WC-3Co
Propriedades Dureza
Fonte: Os autores, (2014).
RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
2.5 Material do produto
O aço empregado como matéria-prima para o forjamento foi o SAE 10B22, aço
ligado de excelente forjabilidade e soldabilidade, com baixa usinabilidade e
esferoidizado fornecido em arames, cuja composição química é apresentada no Quadro
5 e as propriedades mecânicas no Quadro 6.
Quadro 5 - Composição química do SAE 10B22 (% em peso)
C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu Al B
Máx. 0,17 0,70 0,35 0,040 0,050 0,200 0,250 0,060 0,350 0,010 0,003
Mín. 0,24 1,30 - - - - - - - 0,08 0,0005
Fonte: Os autores, (2014).
Propriedades Dureza
Descarb.
(mm)
Fonte: Os autores, (2014).
A composição química dos aços apresenta forte influência sobre a
conformabilidade. Segundo a norma VDI 3138 (v.1), tanto para os aços sem liga como
para os ligados, a resistência à deformação pode ser associada diretamente ao teor de
carbono, devido à relação direta com a proporção de perlita na microestrutura do aço.
Essa norma define que deve se dar preferência a aços com baixo teor de carbono,
devendo evitar aços com teor de carbono equivalente superiores a 0,5%. Para atender
aos requisitos da norma VDI 3138 (v.1), utilizando os valores do Quadro 5 obteve-se o
valor de 0,32% como mostra a Equação 1.0, que demonstra que o material SAE 10B22
se encontra dentro dos limites aceitáveis de conformação a frio.
2.6. Determinação do processo de conformação da porca forjada a frio
A escolha das dimensões da porca procurou representar uma peça de utilização
comercial, que deve atender a indústrias de diversos seguimentos.
Para que haja uma correta fabricação do produto desejado, as definições do
processo e o projeto do ferramental são de suma importância, devendo-se levar em
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consideração alguns critérios para a correta determinação dos mesmos. O primeiro
passo a ser considerado para o dimensionamento do forjado a frio é o estudo das
características técnicas do produto informadas pelo cliente, onde devem constar
informações como:
- material empregado;
- detalhes geométricos;
- acabamento superficial;
- propriedades mecânicas.
O processo de conformação deve ser definido com base nas limitações do
forjamento a frio de peças de aço referentes a aspectos econômicos, e á própria natureza
do processo em si como:
A limitação da capacidade do equipamento em termos de energia e dimensões
do produto;
As propriedades mecânicas dos materiais usados na confecção das ferramentas.
Esses aspectos são utilizados para a determinação do equipamento necessário para
a confecção de peças com relação à energia de conformação, quantidade de estágios
necessários e a geometria possível de ser alcançada em um determinado equipamento. A
Figura 4 mostra o desenho da sequência de estampagem.
Figura 4 - Desenho da sequência de estampagem
Fonte: Os autores, (2014).
2.7. Elaboração dos modelos das ferramentas
Foram gerados os desenhos em 2D das ferramentas a serem utilizadas na
simulação do processo de forjamento a frio. A Figura 5 apresenta as dimensões
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
empregadas para a construção desses modelos tridimensionais e a Figura 6 apresenta os
modelos gerados.
Figura 5 - Dimensional dos componentes usados para a simulação (1) punção, (2)
extrator e (3) matriz.
Fonte: Os autores, (2014).
Figura 6 - Modelo em 3D do conjunto punção, matriz e extrator
Fonte: Os autores, (2014).
2.8 Montagem de um ferramental de conformação
A Figura 7 mostra uma típica montagem de um ferramental de conformação usado
em prensas estampadoras horizontais de múltiplos estágios.
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RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
Figura 7 - Montagem completa de um ferramental para conformação
Fonte: Os autores, (2014).
2.9 Montagem dos componentes usados na simulação
A Figura 8 mostra a montagem usada efetivamente na simulação, onde são usados
somente os componentes que atuam diretamente na conformação do produto.
Figura 8 - Montagem dos componentes usados na simulação
Fonte: Os autores, (2014).
RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
2.10 Preparação da simulação
Após a geração dos componentes pode-se dar início a preparação da simulação no
software de simulação por elementos finitos. O software disponibilizado foi o
DEFORM, que utiliza três etapas para o trabalho de simulação: pré-processamento
(preparação da simulação), onde são inseridos os componentes e suas respectivas
características, processamento (execução da simulação), onde se dá a simulação do
processo de conformação e pós-processamento (análise da simulação), onde é possível
visualizar a simulação já concluída e acessar os resultados referentes a ela.
2.10.1 Inserção dos componentes
Para que haja uma correta realização da simulação, a inserção dos componentes é
um item de grande importância, pois um posicionamento incorreto de algum dos
componentes pode comprometer o resultado do trabalho de simulação.
Após a inserção do tarugo, o passo seguinte é a geração da malha conforme
Figura 9. A quantidade de nós da malha é um item importante na realização da
simulação.
Fonte: Os autores, (2014)
Para a realização deste trabalho foram estudadas 5 configurações de malha com a
variação do número de elementos padrão conforme mostra o Quadro 7, e foi adotado o
número de elementos de 8000 para a realização do estudo, por apresentar uma
quantidade de nós adequada em relação ao tempo de simulação.
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Quadro 7 - Estudo da malha de elementos finitos
Nº de
Fonte: Os autores, (2014)
Para a simulação foi selecionado da biblioteca do software o material: AISI
5120.COLD [70-1450F(20-200°C)], pois sua curva de escoamento se assemelha a do
material SAE 10B22, em suas propriedades características, conforme comprovado pela
experiência no chão de fábrica.
O tarugo estando com todas as características definidas e, portanto pronto para a
simulação, deve-se prosseguir então com a inserção dos demais componentes.
Quando os demais componentes são inseridos no ambiente de pré-processamento
eles estão na posição final de simulação (fechado) e o tarugo encontra-se fora da sua
posição de trabalho, devemos então fazer o posicionamento do conjunto.
Em uma simulação de conformação em matriz fechada na grande maioria dos
casos o componente que tem o movimento que produz a deformação no produto é o
punção, e é neste campo em que se informa o tipo de equipamento utilizado e suas
características funcionais conforme mostra a Figura 10.
Figura 10 - Definição do movimento
Fonte: Os autores, (2014)
RETEC, Ourinhos, v. 9, n. 1, p. 17-36, jan./jun., 2016.
Neste ponto o software possui a opção de visualização do movimento para que
seja possível certificar-se de que a simulação foi montada de forma correta e está pronta
para ser executada. Após a verificação deve-se então gerar um banco de dados, onde é
feita a verificação dos passos realizados até então e caso não haja inconsistências nas
informações, é gerado…